Квантрон твердотельного лазера

 

Использование: в лазерной технике. Сущность: в квантроне твердотельного лазера, активные элементы отделены от источника световой накачки фильтрующим ультрафиолетовое излучение покрытием. Покрытие выполнено двухслойным, причем первый слой из диоксида церия толщиной 0,25 - 1,5 мкм нанесен на прозрачные детали источника световой накачки и/или оптических деталей, входящих в отражатель квантрона и отделяющих источник световой накачки от активной среды. Второй слой выполнен из диоксида кремния толщиной 0,5 - 1,0 мкм и нанесен на слой из диоксида церия. 1 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к квантронам твердотельных лазеров.

Известны квантроны твердотельных лазеров, где фильтрующие добавки введены в прозрачный материал, отделяющий полости каналов размещения ламп от активных элементов, или в материал колбы ламп [1, 2] Недостатком таких квантронов является недостаточная фильтрация УФ излучения в тонких слоях материала между лампами и активными элементами или колбы лампы из-за недопустимости увеличения концентрации фильтра в материале. Наиболее близким по результату действия и способу решения устройством является квантрон, где использовано фильтрующее УФ излучение лампы накачки покрытие из диоксида церия CeO₂ толщиной 1,0 - 1,5 мкм [3] Недостатком прототипа является снижение эффективности лазера из-за френелевского отражения света накачки на границе раздела охлаждающей среды и покрытия из диоксида церия, имеющего показатель преломления 2,1 2,3.

Целью настоящего изобретения является увеличение допустимой мощности накачки лазера, а также повышение надежности, долговечности и эффективности работы квантрона твердотельного лазера.

Для решения этих задач предложен квантрон твердотельного лазера, включающий прозрачные оптические детали, активные элементы и лампы накачки, отделенные от активных элементов покрытием из фильтрующего УФ излучение слоя диоксида церия, отличающийся тем, что каждое покрытие выполнено двухслойным, где первый слой из диоксида церия выполнен толщиной 0,25 1,5 мкм и нанесен непосредственно на прозрачный материал колбы ламп, отражателя квантрона или оптических деталей, отделяющих полость канала размещения каждой лампы от активных элементов, а второй слой из диоксида кремния толщиной 0,5 1,0 мкм нанесен на слой из диоксида церия, причем в моноблочном отражателе это покрытие нанесено на внутреннюю поверхность полостей каналов размещения ламп или активных элементов или их обоих, для чего отражатель выполнен в виде по крайней мере двух симметричных частей с поверхностью их стыковки, симметрично разделяющих по крайней мере все полости размещения либо ламп, либо активных элементов. В квантроне с трубчатыми каналами охлаждения покрытие нанесено на внутреннюю либо на внешнюю, либо на обе поверхности трубы каждого канала, а в квантроне с разделительными стенками на любую поверхность каждой стенки или на обе поверхности каждой стенки оптических деталей квантрона, разделяющих лампы и активные элементы.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый квантрон отличается от известного наличием переходного слоя и толщиной фильтрующего слоя двухслойного покрытия, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "новизна". Анализ известных лазеров показал, что нет квантронов твердотельных лазеров, в которых бы использовалось двухслойное покрытие в указанной композиции и с указанной конструкцией моноблочных отражателей, что придает квантрону новые свойства и позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение не следует явным образом из уровня техники и находится на изобретательском уровне.

В предлагаемом устройстве поставленная задача решается тем, что введен дополнительный переходный слой из диоксида кремния, а двухслойное фильтрующее покрытие нанесено непосредственно на прозрачный материал колбы ламп, отражателя квантрона или оптических деталей, отделяющих полость канала размещения каждой лампы от активных элементов.

Дополнительным отличием предлагаемого устройства является то, что диапазон толщин фильтрующего слоя расширен до 0,25 мкм. Так как при использовании квантрона с активными элементами, активированными ионами неодима, толщина слоя диоксида церия 0,5 мкм достаточна для фильтрации УФ-света накачки, а потери на поглощение в слое меньшей толщины снижаются из-за улучшения качества покрытия и уменьшения оптического пути света в нем, это приводит к увеличению эффективности генерации на АИГ с неодимом при толщине слоя диоксида церия 0,5 1,0 мкм. Причем во всех вариантах технического исполнения квантрона, кроме случая нанесения двухслойного покрытия непосредственно на колбу ламп накачки, возможно нанесение покрытия на обе проходимые светом накачки поверхности прозрачной перемычки между каждой лампой и каждым активным элементом. Поэтому слой диоксида церия в таких конструкциях квантрона может быть уменьшен до толщины 0,25 мкм, что дает возможность еще большего улучшения оптического качества покрытия, его прочности и стойкости за счет дополнительного уменьшения толщины слоя и улучшения его структуры в процессе нанесения и отжига. Покрытие с толщиной 1,0 1,5 мкм предназначено для использования с более чувствительными к УФ излучению активными элементами из алюмината иттрия с ионами неодима или эрбия.

Так как показатель преломления диоксида церия составляет 2,1 2,3, то для использования отражателя с таким фильтрующим покрытием в средах с низким показателем преломления, например, в воздухе или газах, у которых показатель преломления ≈1, необходимо введение согласующего слоя, чтобы избежать отражения излучения от границы между диоксидом церия и окружающей средой. Так как диоксид кремния не имеет собственных полос поглощения в области излучения лампы накачки и имеет показатель преломления ≈1,46, то полностью удовлетворяет требованиям к переходному слою вследствие своей термо- и фотостойкости и химической инертности. Во избежание потерь вследствие интерференции света при прохождении границы раздела диоксид кремния - окружающая среда необходимо, чтобы толщина этого слоя была больше толщины, соответствующей второму интерференционному максимуму для света с максимальной длиной волны из спектра излучения лампы накачки. Для лазеров на активных средах с ионами неодима и эрбия максимальной является длина волны 1,0 мкм. При этом расчет должен вестись для нормального падения, т.к. для косых лучей интерференция будет значительно ослаблена и иметь место в более тонких слоях. Такие условия, определяющие толщину переходного слоя из требования отсутствия интерференции для всех длин волн и углов падения света, позволяют обеспечить эффективное действие переходного слоя вне зависимости от показателя преломления окружающей среды и углов прохождения света в переходном слое. Эффективно "толстым" слоем в самом невыгодном случае при охлаждении средой с наименьшим показателем преломления, равным 1, будет слой толщиной в 1,5 раза большей толщины, равной 0,34 мкм, соответствующей слою, дающему первый интерференционный минимум для света с длиной волны 1,0 мкм. Таковым будет слой с толщиной 0,51 мкм. С учетом надежности воспроизведения, минимальная толщина определена равной 0,5 мкм. Верхняя граница толщины слоя двуокиси кремния в 1,0 мкм обусловлена тем, что при дальнейшем увеличении толщины слой рекристаллизуется, приводя к рассеиванию и поглощению света, уменьшая тем самым эффективность передачи света от лампы накачки к активному элементу.

В случае использования моноблочных отражателей, они должны быть выполнены в виде, по крайней мере, двух симметричных частей с поверхностью стыковки, симметрично разделяющей все полости размещения либо ламп, либо активных элементов, а покрытие нанесено на внутреннюю поверхность каждой из полостей канала охлаждения.

Примеры конкретного выполнения составных моноблочных отражателей для квантронов с наиболее часто встречающимися комбинациями ламп и активных элементов представлены на чертеже.

На чертеже в отражателях 1а, 1г и 1д в разрезных каналах расположены и лампы, и активные элементы, а в отражателях 1б и 1в в разрезном канале могут быть расположены либо лампа, либо активный элемент. При этом следует, что в реальных квантронах твердотельных лазеров, исходя из условий необходимости высокой степени симметрии освещения активным элементов лампами накачки, отражатели с любым количеством ламп и активных элементов могут быть всегда разделены по симметрии соответствующего порядка. В случае нанесения двухслойного покрытия на составные части моноблочного отражателя квантрона за счет выполнения этой операции одновременно и на все части может быть дополнительно достигнута высокая стабильность параметров лазера.

Нами были проведены эксперименты на одноламповых квантронах с одним и двумя активными элементами и отражатели по типу 1а, 1б и 1в, изображенными на чертеже 1. Во всех случаях была использована лампа ИНП-3/45А-1, а активные элементы имели размер ⊘ 5x50 в конструкциях 1а и 1б и размер o 3x50 в конструкции 1в. Экспериментальные исследования показали, что в случаях 1а и 1б заявляемая схема квантрона позволила оптимально подобрать толщину фильтрующего покрытия, которая для случая 1б составила 1,5 мкм вследствие использования максимальной энергии на лампу для накачки двух активных элементов o 5x50, а для конструкций 1а и 1в оптимальной явилась толщина фильтрующего слоя в 0,25 1,0 мкм, где накачка на два элемента o 3x50 или один элемент o 5x50 требовалась минимальная. Причем, в случае нанесения покрытия на поверхность каналов размещения как лампы, так и элемента, в конструкции 1а оптимальная толщина составляла 0,25 0,5 мкм, а при нанесении покрытия только в один из каналов в случаях 1а и 1в 0,5 1,0 мкм.

При этом в случае использования покрытия в колбе лампы, толщина покрытия из диоксида церия для фильтрации элементов с ионами неодима должна составлять 0,5 1,0 мкм, а с ионами эрбия 1,0 1,5 мкм для оптимального использования накачки. Таким образом, за счет правильного подбора в каждом из случаев оптимальной толщины фильтрующего слоя из диоксида церия в широком интервале значений и введения переходного слоя из диоксида кремния, снижающего при заявленной толщине потери на френелевское отражение для проходящего через фильтр под любыми углами в процессе его распространения в квантроне света накачки во всем диапазоне спектра накачки ионов активатора, достигается увеличение эффективности лазера за счет снижения потерь энергии накачки в покрытии; увеличение допустимой мощности накачки за счет снижения доли поглощаемой в покрытии мощности при одновременной необходимой для каждого случая плотности фильтра, а также увеличение надежности и долговечности квантрона за счет большего срока службы покрытия при меньших внутренних нагрузках в нем из-за снятия полного внутреннего отражения на границе диоксида церия с охлаждающей средой и улучшения структуры этого слоя при его минимальной допустимой по соображениям фильтрации толщине.

Таким образом, предлагаемое техническое решение имеет следующие преимущества, по сравнению с известными квантронами: увеличение КПД лазера на 15 20% в области работы прототипа, увеличение допустимой мощности накачки, частоты повторения импульсов и выходной мощности в 1,5 раза, увеличение долговечности лазера в 2 раза.

Формула изобретения

Квантрон твердотельного лазера, включающий активную среду, прозрачные оптические детали, входящие в отражатель, и источник световой накачки, отделенный от активной среды фильтрующим ультрафиолетовое излучение покрытием, отличающийся тем, что покрытие выполнено двухслойным, где первый слой выполнен из диоксида церия толщиной 0,25 1,5 мкм и нанесен непосредственно на поверхность прозрачного материала оболочки источника световой накачки и/или оптических деталей, входящих в отражатель кватрона и отделяющих источник световой накачки от активной среды, а второй слой из диоксида кремния толщиной 0,5 1,0 мкм нанесен на слой из диоксида церия.

РИСУНКИ

Рисунок 1